同步发电机励磁功率柜风机电源回路的设计改进

周 涛，严欣婷，廖 容，李兼伐

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

同步发电机多采用自并励的励磁方式，在发电机出口端设置一台励磁变压器，将发电机出口三相交流电降压后再经晶闸管整流[1]，转换成可调的直流电，再输送至发电机转子励磁线圈，从而形成发电机能量转换所需的可调节磁场。

同步发电机容量越大，发电机额定励磁电流也会越大，发电机励磁电流经过可控整流的晶闸管时，晶闸管产生的热量也越大。为了给晶闸管散热，晶闸管的P 极和N 极一般均安装一块散热专用的铝型材，两块铝型材通过带绝缘材料的螺栓固定连接在一起并形成两极的接线柱，如图1 为1000 A 晶闸管及其散热器总装图。

图1 晶闸管及散热器

对于小型发电机，额定励磁电流不是很大，只要选择合适的散热器，采用自然通风冷却的方式，即可满足晶闸管的散热要求；对于单机容量在630 kW 以上的发电机，其励磁电流会达到100 A 以上，采用自然通风冷却的方式则难以满足要求，因此，往往采用励磁柜顶安装冷却风机往上送风的方式进行冷却，工作时，冷风自柜体下部进风口进入，经散热器后被柜顶风机加速往上送出，实现强迫风冷[2]。

发电机励磁冷却风机一般采用三相交流异步电动机驱动，其电源可取自机组自用电源或厂用交流电源。为确保风机电源的可靠性，往往采用一主一备，2个电源的方案，在主电源失电时，备用电源自动投入，以保证风机的可靠供电。但即使采用双电源供电，如果风机电源自动切换回路设计不合理，仍可能存在安全隐患，甚至发生设备损坏的严重后果。

1 励磁功率柜故障损坏事故

某钢铁公司热电厂安装单机容量12.5MW 的发电机组，励磁系统由励磁调节柜和功率柜组成。励磁功率柜中主要安装三相共6 个晶闸管组成的桥式整流电路并采用柜顶风机风冷的方式。风机控制电气主回路见图2，主电源取自热电厂厂用变压器，备用电源取自钢铁公司高炉车间配电变压器。两电源均经过断路器QF、接触器1KM 送至风机控制电路。风机电源回路采用简约化设计，只要主电源失电，1KM 线圈断电，则1KM 常开主触点断开，备用电源经过2QF、1KM 常闭主触点，自动向风机控制回路供电。当主电源恢复供电时，1KM 线圈通电，常开主触点闭合，常闭主触点断开，自动将风机电源切回至主电源运行。两电源通过接触器1KM 实现互锁，从而防止主电源与备用电源同时接通而出现短路事故。励磁系统通过控制接触器2KM，实现对冷却风机启停控制，同时2KM 的辅助触点向励磁系统发出风机运行/停止信号。2KM 常开辅助触点闭合时，为风机运行状态，反之为风机停止状态。

图2 风机控制电气主回路

某雷雨日，热电厂厂用变压器发生连续遭受数次雷击，中控室监控系统报励磁功率柜风机停止信号；信号复归后，继续运行。雷击结束后一段时间，监控系统报励磁功率柜风机停止信号和主回路快速熔断器熔断事故信号（快速熔断器安装在励磁变至晶闸管主回路中，ABC 三相，每相一个，每一个熔断器均配有熔断报警辅助触点），触发机组事故停机。

事故停机后，运行维护人员对励磁功率柜进行检查，发现3 个快速熔断器中有2 个熔断器熔断，风机主电源和备用电源均正常有电，但风机主电源开关1QF 和备用电源开关2QF 全部跳闸。更换新的快速熔断器后，投入风机主电源和备用电源开关，风机均能正常运行。在停机状态下，采用电阻负载代替发电机转子励磁线圈进行静态小电流试验[3]，发现晶闸管整流桥输出电流不均衡，进一步检查发现整流桥中+B相晶闸管元件损坏。

2 励磁功率柜风机电源故障原因分析

根据图2 的风机控制电气回路，在热电厂厂用变压器遭受雷击，保护动作跳开厂用变高压侧断路器后，励磁风机主电源消失，备用电源应自动投入运行，但在本次事故中却出现风机主电源开关1QF 和备用电源开关2QF 同时跳闸导致冷却风机停电，功率柜无冷却运行，晶闸管得不到有效冷却，柜内温度升高致使晶闸管损坏短路，引起快速熔断器熔断，切断励磁主回路并触发机组事故停机。

根据当时的运行记录，在发生上述事故期间，风机备用电源没有出现任何异常现象，使用该备用电源的设备也没有出现任何故障，说明风机主电源故障期间，风机备用电源是正常的。为了查找风机2 个电源开关同时跳闸的原因，在现场开展了试验。首先确认主电源和备用电源正常情况下，合上1QF 和2QF，1KM 线圈得电动作，接通主电源至风机电路，同时切断备用电源至风机的电路；接着给上励磁系统交直流控制及操作电源，手动操作“风机起动”按钮，2KM 线圈得电动作，将1KM 主触头之后至电动机的电路接通，风机起动运转；人工快速操作1QF 分合，模拟雷击时风机主电源快速通断的故障工况。试验结果表明，1QF 通断切换时间较长时，风机主备电源切换及风机工作均正常无异，但在快速分合1QF 时，1KM 主触头间火花明显，连续几次快速分合1QF 后，1QF 和2QF 全部跳闸。

根据图2 和上述试验情况分析，在风机主备电源切换时，如果主电源消失和恢复间隔时间较长，则风机电源或成功切换，但如果主电源消失和恢复时间很短时，切换接触器快速动作过程中，触头间电弧未熄灭前，接触器的常开触头和常闭触头因电弧而呈现为连通状态，导致主电源和备用电源相间短路，引起电源开关过流而跳闸。本事故的原因应该是厂用变压器在遭受雷击时出现瞬间停电而又迅速恢复供电而导致的。

3 励磁功率柜风机电源设计改造方案

上述事故的发生，根本原因在于风机主备电源切换电路设计过于简单，没有充分考虑主电源瞬间断电又恢复供电时，1KM 触头间的电弧会导致主备电源短路的异常情况。为此，提出以下两种设计改造方案。

3.1 无主备式风机电源设计改造方案

图3 为无主备式风机电源设计改造方案，两路电源均通过各自的电源开关QF 和接触器KM 向风机控制回路供电。两路电源不再区分主电源和备用电源，均作为工作电源来使用。如在风机电源上电时，先合上1QF，再合上2QF，此时1KM 先动作，接通电源1向风机的供电电路，同时1KM 的常闭触点闭锁了2KM 线圈电路，2KM 不会动作，此时电源1 为风机工作电源。工作过程中，如出现电源1 停电，则1KM 线圈断电复归，在电源2 正常情况下，2KM 动作，接通电源2 向风机的供电回路，电源2 切换为风机工作电源，在此之后，如果电源1 恢复正常，风机工作电源也不会自动切换，除非电源2 停电，才会自动切换回已恢复正常的电源1 供电。

图3 无主备式风机电源方案

在本方案中，采用了2 个带有灭弧装置接触器的主触头来控制2 个电源的通断，同时2 个接触器控制回路采用对方辅助触点设计了互锁功能，任一个接触器动作的前提是另一个接触器处于线圈断电、常开主触头已断开、常闭辅助触点已闭合状态，因此可从电气上闭锁了2 个KM 同时动作，避免出现2 个电源短路的情况，同时，在电源切换过程中，也是常开主触头先断开，之后常闭辅助触点接通，才能完成电源切换。本方案电源切换的时间比图2 的设计方案明显多出一个接触器动作时间，增加的这个切换时间对晶闸管冷却影响不大，但却对加强接触器主触头灭弧、避免两电源短路发挥明显作用。为更可靠地实现两接触器的互锁，可选用带机械互锁功能的2 个接触器作为电源切换接触器，从而实现电气、机械双互锁。

3.2 主备式风机电源设计改造方案

无主备式风机电源设计改造方案适用于2 个电源都是同等可靠，都适合作为主电源的情形，但从本案例来看，备用电源取自钢铁公司高炉车间配电变压器，其电能计量纳入高炉车间，其仅适用于主电源因故障消失时的临时备用电源，因此，采用图3 的方案改造，在主电源恢复供电后，还需要运行人员到现场操作将电源切换回主电源工作，因而也带来运行操作上的不便，为此，可采用图4 的主备式风机电源设计改造方案。

图4 主备式风机电源方案

本方案明确区分主电源和备用电源，各自经过电源开关QF、控制接触器KM 常开触头和对方接触器KM 常闭触头后接至风机控制电路。2 个电源控制的区别在于接触器线圈电路，主电源控制的1KM 线圈直接接在1QF 后的AC 相上，备用电源控制的2KM线圈则串接了1KM 的常闭辅助触点。在此方案中，只要主电源恢复正常，1KM 动作，先切断2KM 线圈电路，让2KM 复归，2KM 常开触头断开，切断备用电源至风机的供电电路；当2KM 复归至常闭触头接通时，与1KM 动作接通的主触头一起接通主电源至风机的供电电路，实现了在主电源正常情况下，由主电源供电；当主电源故障，备用电源正常时，由备用电源供电的主备式风机电源供电方案。相比图2 原设计方案，主备电源的切换动作时间多了一个接触器动作时间，电源供电回路多串了一对接触器触头，均有利于电源切换过程中触头处的灭弧工作，有效避免上述事故的发生。

3.3 ATS 双电源自动切换开关方案

无主备式和主备式风机电源设计改造方案是在现在基础上，针对原设计方案存在问题提出的改造方案，为更好地实现风机供电的双电源自动切换，可选用市场上技术成熟、质量可靠，采用电磁驱动，具备机械和电气互锁功能，在邮电通讯、煤矿船舶、医疗卫生、高层楼宇等双电源供电场合广泛应用的ATS 双电源自动切换开关[4]。由于ATS 开关的尺寸及安装空间均大于前述方案接触器的方案，建议将电源开关1QF、2QF 及ATS 开关移至励磁功率柜外另行安装，仅将电源切换后的线路接至风机控制电路即可。

4 结语

同步发电机励磁功率柜风机电源供电的可靠性直接影响到励磁系统的正常工作，关系到励磁整流晶闸管的安全，甚至是发电机的安全，因此需要引起重视。结合某热电厂励磁功率柜风机电源设计存在问题引起晶闸管损坏的事故，深入分析事故原因，提出了3 个有效的设计改造方案，其中主备式风机电源设计改造方案仅需要增加一个接触器并对电路接线进行一定改造，投入少，改造时间短，可快速完成施工并能有效解决原设计方案存在的安全隐患。此外，为更好地完善风机电源回路的监控，建议电源开关QF 配上辅助触点，并将QF 辅助触点、各接触器辅助触点接入监控系统，以便实时监控风机电源供电电路的工作情况，及时发现供电电源存在的问题。